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激光焊接條件下SiCw/6061Al鋁基復合材料界面反應研究
作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:96
 ?。壅荨⊙芯苛思す夂附訔l件下SiCw/6061Al鋁基復合材料的界面反應,探討了激光輸出功率、激光脈沖頻率等焊接工藝參數對該材料界面反應的影響。結果表明:激光焊接條件下SiCw/6061Al鋁基復合材料可焊性差的原因主要是與基體6061Al鋁合金和增強相SiC晶須間的界面反應Al(l)+SiC(s) → Al4C3(s)+Si(s)有關,激光輸出功率是影響界面反應程度的主要焊接工藝參數。在此基礎上成功實現了SiCw/6061Al鋁基復合材料的激光焊接?! £P鍵詞 鋁基復合材料 激光輸出功率 界面反應 Study of Interface Reaction and Effecting Factor of AluminiumMatrix Composite under Laser Welding ConditionLiu Liming Niu Jitai Tian YanhongNational Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology,HIT ?。跘bstract] Interface reaction of aluminium matrix composite SiC/6061Al in the welded joint subjected to laser welding was studied. Effects of laser output power and pulse frequency welding parameters on interface reaction were also investigated. The results show that main reason for bad weldability of the composite concernes with interface reaction during the welding,that is:4Al(l)+3SiC(s) → Al4C3(s)+Si(s). The study proves that the laser welding can be successfully used in the welding of SiCw/6061Al aluminium matrix composite.  Keywords aluminium matrix composite laser output power interface reaction    鋁基復合材料作為一種新興材料,由于其具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗輻射、尺寸穩定性好等優異的綜合性能而受到人們的廣泛關注,并將逐步取代部分傳統的金屬材料而廣泛應用于航空、航天、汽車制造業等領域,成為當今金屬基復合材料發展與研究的主流。鋁基復合材料的焊接是形成結構件必不可少的加工手段。由于該種材料基體與增強相間物理性質(如熔點、電阻率等)相差很大,在高溫下基體與增強相之間極容易發生界面反應,生成脆性化合物,很難形成優質焊接接頭[1,2]。所以,研究和控制在焊接條件下鋁基復合材料的界面反應對該種材料的實際應用具有重要意義?! ”竟ぷ魍ㄟ^系列試驗研究了激光焊條件下鋁基復合材料SiCw/6061Al界面反應及其影響因素,指出了該種材料可焊性差的原因主要與焊接過程中基體與增強相間的界面反應有關,激光輸出功率是影響界面反應程度的主要焊接工藝參數。1 試驗材料及方法 1.1 試驗材料  采用擠壓鑄造法制備鋁基復合材料SiCw/6061Al。增強相SiC晶須平均直徑為0.5μm,體積比為20%。該復合材料在退火狀態下拉伸強度為220MPa?;w6061Al的化學成分如下表所示。表 6061Al的化學成分(wt%)Table  Chemical compositions of 6061Al alloy(wt%)CuMgMnFeSiZnTiNiAl0.340.750.220.361.26<0.15<0.05<0.05余1.2 試驗步驟  (1)采用線切割的方法將材料加工成2mm×10mm×30mm焊件;  (2)將試件進行對接平焊,焊接設備為美國產YAG固體脈沖式激光加工機,其最大功率為400W,脈沖頻率1~200Hz,脈沖寬度0.3~7.4ms,波長106μm;  (3)在Instron公司產的電子萬能試驗機上進行焊接接頭拉伸測試,拉伸速度為0.5mm/min;  (4)分別采用光鏡、SEM和TEM分析在激光焊條件下鋁基復合材料微觀組織及界面反應生成物。2 界面行為研究   圖1為典型的激光焊條件下焊縫組織照片,可以發現焊縫中出現了硅塊,晶須變得很細,說明基體與增強相之間發生了界面反應。鋁基復合材料SiCw/6061Al母材與焊縫的透射電鏡照片如圖2所示,母材中增強相SiC與基體Al間界面干凈,無反應物產生;而焊縫中增強相SiC與基體Al間有反應物出現,經衍射分析,反應生成物為Al4C3。 http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512115746922.gif圖1 SiCw/6061Al激光焊焊縫顯微組織 ×1000Fig.1 Microstructure of SiCw/6061Al welded joint at laser beam http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512115746847.gif http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512115746649.gif圖2 母材及焊縫TEM照片 ×4500 (a)母材;(b)焊縫Fig.2 Transmission electron micrographs of parent (a) and weld (b) ×4500  這是由于,在激光焊接鋁基復合材料時,復合材料依靠吸收激光束能量而熔化,材料對激光束的吸收率α取決于其電阻率及激光的波長,可用下式表示[3]:http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512115746105.gif式中:ρ為電阻率,λ為激光波長 ,α為吸收率?! ∮缮鲜娇芍?,在激光焊接鋁基復合材料SiCw/6061Al 時,由于增強相SiC的電阻率比基體Al大得多,因此增強相SiC對激光的吸收率比基體Al大得多,使得激光束照射處增強相SiC優先吸熱,被迅速加熱到很高的溫度,再通過熱傳導加熱基體鋁合金,這種加熱機制使得增強相SiC及其附近的基體Al溫度要遠高于熔池的平均溫度,這就很容易發生界面反應。熔融的 Al在較高溫度下將與SiC發生如下反應[4]:4Al(液)+3SiC(固) → Al4C3(固)+Si(固)                    (1)  在界面上生成細小針狀或片狀Al4C3與Si塊,并且此反應是不可逆的,反應生成物破壞了增強相SiC與基體Al間原始良好的結合界面,使增強相SiC晶須難以起到對焊縫的強化作用,同時生成的Al4C3與Si塊是極脆的物質,又進一步削弱了焊縫的強度。有關研究[5]表明,采用擠壓法制備的鋁基復合材料SiCw/6061Al中SiC晶須與6061Al合金基體結合十分完好,界面干凈,基體與晶須間可能存在八種晶體位向關系。但是在激光焊焊縫中,界面結合就發生了很大的變化,原始基體與晶須界面已被破壞,取而代之的是如圖3所示的一種結合機理?! 】梢?,焊縫中界面反應脆性生成相Al4C3相當于在基體與增強相間插入脆性中間層,阻礙二者間接合,焊縫中鋁基復合材料界面的這種結合機制不僅減少了載荷的傳遞能力,而且還為裂紋的萌生和擴展提供了場地??梢哉J為,焊縫中基體與增強相間的界面反應是導致焊縫接頭力學性能損失的重要原因。 http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512115746894.gif圖3 激光焊焊縫中鋁基復合材料界面示意圖Fig.3 Scheme of interface of aluminium matrix composite in the weld of laser welding  因此,焊縫力學性能損失的原因可以歸納如下:①由于(1)式的反應,使得SiC晶須數量減小,同時改變晶須與基體間結合機理,降低了焊縫接頭的力學性能。②由于存在上述反應,使得基體組織發生變化,在基體中出現許多硅塊,它的存在使基體的塑性下降。3 工藝參數對界面反應的影響 ?。?)式反應的自由能公式為[6,7]:ΔG(J.mol-1)=113900-12.06TlnT+8.92×10-3T2+7.53×10-4T-1+21.5T+3RTlnαSi式中:αSi為Si在液態Al中的活度,由上式可見ΔG受溫度和αSi兩個因素影響,隨著溫度的升高,ΔG減小。其反應趨勢如圖4所示。 http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512115746734.gif圖4 激光焊熔池中ΔG與焊接溫度T、硅活度αSi的關系曲線Fig.4 Relationship curve of ΔG、welding temperatureT and Si activity αSi in the molten pool of laser welding  此式反映了焊接溫度T、硅活度αSi對ΔG的影響。焊接溫度T越高,ΔG也就越小,界面反應就越易進行;熔池中Si的濃度越大則αSi的值越大,ΔG也就越大,界面反應就越不易發生。此反應已被實踐所證明,在1000K以下,ΔG較小,(1)式反應很小,這就是采用壓鑄法制造鋁基復合材料過程中未出現界面反應物,而在激光焊焊縫中卻出現界面反應的原因?! ∮捎谠诩す夂附訔l件下鋁基復合材料界面反應的宏觀表現為焊縫力學性能的損失,因此通過測試焊縫接頭強度的變化可間接表明焊接規范參數對鋁基復合材料界面反應的影響。焊接規范對鋁基復合材料焊縫接頭強度的影響如圖5所示。 http://www.icad.com/wencui/UploadFiles_3722/200805/20080512115746299.gif圖5 激光焊接參數對接頭強度的影響Fig.5 Effects of process parameters of laser welding on tensile strength of welded joint  可見伴隨著激光功率的增加,使得接頭強度明顯減低。這是由于激光輸出功率越大,熔池的溫度就越高,ΔG也就越小,使得(1)式反應就越容易進行,焊縫中基體與增強相間界面反應加劇,反應生成物Al4C3增多,導致激光焊中焊縫的力學性能損失嚴重。在圖5中還可以看出,隨著脈沖頻率的增加,焊縫接頭強度有所增加,但激光脈沖頻率超過一定限度接頭強度趨于穩定。這是由于在激光束總的輸出能量不變的情況下,脈沖頻率的增加意味著每次輸出能量的減少,改善了熔池內部溫度的分布,根據上述分析可知,(1)式反應將被抑制,減少Si塊與Al4C3的生成,但與激光輸出功率相比脈沖頻率對接頭強度的影響不顯著??紤]到一定型號的激光焊機有其頻率使用范圍,而且頻率選擇應與焊接速度相匹配,故本試驗均使用30Hz脈沖頻率?! 】梢哉J為,激光焊接鋁基復合材料時激光束的輸出功率是影響界面反應的主要工藝參數?! 倪@一觀點出發,在保證熔透的前提下,使用低能量輸入是獲得高質量SiCw/6061Al鋁基復合材料熔化焊焊縫的重要手段,同時通過選擇硅含量高的鋁合金作為基體或人為地增加熔池中硅的含量以此來提高熔池中硅的活度值,可以大大改善SiCw/6061Al鋁基復合材料的可焊性,為鋁基復合材料熔焊指出了一條新的途徑,也為復合材料的制備技術提供某種借鑒。4 結論  (1)激光焊接SiCw/6061Al鋁基復合材料時,造成該材料可焊性差的主要原因是焊縫中發生如下界面反應:  4Al(液)+3SiC(固) → Al4C3(固)+Si(固)  (2)影響SiCw/6061Al鋁基復合材料激光焊焊縫強度的主要工藝參數是激光輸出功率,激光輸出功率的大小直接影響著界面反應的程度,功率越小,則界面反應程度越輕,焊縫的力學性能越好。
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